基于51 單片機GPS 定位的設計與實現

陳海浪 謝旺 廣東培正學院

本設計由軟硬件相結合實現的簡易定位功能，此設備可顯示經緯度和海拔等內容。它以51 單片機為主導，利用GPS 和液晶顯示器組成一款具有實時定位功能的簡單的定位器。51 單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱。本設計還探究GPS 的功能，如它的信號是由什么組成的，它的定位信息是如何提取、收集與處理的等等。GPS 的最初出現是在部隊里面，以供軍事之便而用。隨著科技的發展，GPS 也在不斷地精進，而且因為它的操作方便、定位準確，在電子設備高速發展的今天已經慢慢地滲透到各個領域并發揮著重要的作用了。

1 GPS 定位原理簡介

24 顆GPS 衛星在離地面1 萬2 千公里的高空上，以12 小時的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4 顆以上的衛星。由于衛星的位置精確可知，在GPS 觀測中，衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3 顆衛星，就可以組成3 個方程式，解出觀測點的位置（X，Y，Z）。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4 個未知數，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4 顆衛星，形成4 個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。事實上，接收機往往可以鎖住4 顆以上的衛星，這時，接收機可按衛星的星座分布分成若干組，每組4 顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，使得民用GPS 的定位精度只有10 米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS）技術，建立基準站（差分臺）進行GPS 觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，并對外發布。接收機收到該修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5 米。

2 硬件設計

本設計以51 單片機作為處理器，通過它解析從GPS 模塊傳過來的信息，并將其轉化為經緯度等信息。GPS 模塊中分別有Ublox 芯片、信號指示燈、USB 信號輸出、天線放大器、串口TTL 接口、SMA天線接口等。GPS 模塊就是GPS 信號接收器，它是一個可以用無線藍牙或有線方式與電腦或手機連接，現在用的是51 單片機，通過天線接收來自衛星的信號，再從GPS 模塊傳輸給51 單片機。我們常說的GPS 定位模塊稱為用戶部分，它像“收音機”一樣接收、解調衛星的廣播C/A 碼信號，中以頻率為1575.42MHz。GPS 模塊并不播發信號，屬于被動定位。GPS 接收設備輸出的導航電文數據通過串口方式傳入單片機，也就是模塊的相關輸入輸出協議格式，其中數據類型主要有二進制信息和NMEA 全國海洋電子協會數據信息。這兩類信息可以通過串口與GPS 接收機進行通信。然后，單片機能正常工作的必要條件之一就是時鐘電路，所以單片機就很需要石英晶體振蕩器。它是一種高精度和高穩定度的振蕩器。通過一定的外接電路來，可以生成頻率和峰值穩定的正弦波。單片機工作時，是一條一條地從RoM 中取指令，然后一步一步地執行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期，這是一個時間基準。—個機器周期包括12 個時鐘周期。如果一個單片機選擇了12 兆赫茲晶振，它的時鐘周期是1/12us，它的一個機器周期是12×（1/12）us，也就是1us。機器周期不僅對于指令執打有著重要的意義，而且機器周期也是單片機定時器和計數器的時間基準。例如一個單片機選擇了12 兆赫茲晶振，那么當定時器的數值加1 時，實際經過的時間就是1us，這就是單片機的定時原理。顯示模塊采用的是LCD12864 液晶顯示，低電壓和低功耗是他一大特點，同時價格相比起其他該模塊的硬件也更加的實惠。他是128x64 點陣的漢字圖形液晶顯示模塊，可以顯示漢字以及圖形，內置8192 個中文漢字（16x16）和128 個16*8 點ASCII 字符 集。電容與10K 電阻和開關一起連接組成復位模塊，當復位按鍵沒被按下之前RST 處于低電平所以系統正常工作，當復位按鍵被按下，開關閉合，這時電容兩端就形成了一個回路，電容被短路，所以當按鈕按下后，電容會釋放之前儲存的能量，在很短的時間內，電阻兩端的電壓上升，所以RST 引腳就會變成高電平狀態，LCD12864 液晶顯示電初始化，隨著電容能量逐漸釋放完畢，RST 引腳又回復到低電平狀態，直到下一次復位按鍵被按下。

總之，單片機則將接收到的數據信息進行篩選、計算和格式轉換等處理，最后通過LCD12864 顯示器將處理得到的相關信息顯示出來，原理圖如圖一所示。

圖 一 設備線路原理圖

3 軟件設計

本設計中數據的獲取方式是通過設備中的GPS 模塊持續不斷的接收衛星發送的導航電文通過串口方式傳入單片機，并通過設計程序，在程序中對有效信號進行提取，判斷以及計算等處理，從而篩選出我們想要的信息并且轉化成相應的格式進行輸出。

設備軟件工作流程如下：

接上外部電源，STC51 單片機電初始化，然后接收從GPS 模塊傳遞過來的導航電文，此時進行一次判斷，判斷接收的數據是否有效，如果有效再接受信息內容，根據語句標識區進行篩選，提取其中以“$GPRMC”開頭的語句，若無則繼續等待。 接收完數據后，通過STC51 單片機設定好的軟件程序自動進行數據的篩選和格式轉換處理。接著對LCD12864 液晶顯示屏進行清屏處理，并且將轉化格式后的數據傳到液晶顯示器中并顯示該定位信息，此時單片通過不斷刷新RAM 頻率大約是每秒一次使得液晶顯示器能夠實時實地的顯示當前GPS 信息，邏輯如圖二所示。其中軟件的設計采用我們采用的是C 語言，圖三是部分代碼截圖

圖二

圖三

數據解析提取時采用的是GPS 導航設備統一的RTCM 標準協議NMEA 0183，該協議數據信息許多種如：：$GPGGA，$GPGLL，$GPZDA，$GPGSV，$GPGST，$GPGSA，$GPALM，$GPRMC。 其中我們只需要解析$GPRMC：推薦定位信息。他的格式是：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh

<1>UTC 時間，hhmmss（時，分，秒）格式

<2>定位狀態，a=有效定位，v=無效定位

<3>緯度ddmm。mmmm（度分）格式（前面的0 也將被傳輸），

<4>緯度半球n（北半球）或s（南半球）

<5>縱向DDDMM.mmmm（度分）格式（前面0 也將被傳送），

<6>縱向半球E（東經）或W（西經）地面速度

<7>地面速度（第000.0-999.9 節，前部0 也將被傳輸）。

<8>地面航向（000.0-359.9 度，以振北為參考，前方0 也將被傳送）；

<9>UTC 日期，ddmmyy(日月年)格式

<10>磁偏角（000.0-180.0 度，前0 也將被傳送）

<11>磁偏角方向，E（東）或W（西）

<12>模式指示（僅限NMEA0183 U 3.00 版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估計，N=無效數據）

根據實際需要我們在軟件設計只中提取了日期、時間、經緯度、

海拔高度以及速度信息。

4 系統測試

首先對照電路原理圖查看各個原器件是否都部署在了焊接板上，觀察51 單片機的引腳是否正確的插入到了對應的引腳口上，插入LCD12864 液晶顯示屏，來到一個開放信號良好的地點接上天線，給GPS 模塊連接上移動電源，按下模塊開關（圖中白色按鈕），GPS 模塊綠色提示燈亮起，進入系統等待界面，在稍作等待后，經緯度和海拔信息就會顯示在LCD12864 顯示器上，一開始數值會存在跳動，后面慢慢就能夠達到穩定。最終結果如圖三所示，通過功能按鍵（圖三中靠左邊的按鈕）可以切換到不同的界面，如速度和日期等信息，按復位按鍵（圖三中靠右邊的按鈕）可以使CLD12864 顯示器電初始化返回到經緯度以及海拔界面，信號的準確度會根據當前空間的封閉程度和該地點的GPS 信號強弱而有不同，值得注意的是GPS 獲取的時間為世界統一時間，要在單片機軟件系統中根據經緯度計算出時區然后將其轉換成本地時間。

圖四

5 結束語

通過在多次實踐檢驗，在硬件和軟件的結合下基本是能否精確的顯示出當前的經緯度，海拔，日期的，若處于室內等相較GPS 信號沒那么良好的環境，也可以通過插上GPS 外接天線達到穩定的效果，不同顯示界面可分別通過復位按鍵和功能按鍵來進行切換。此外該設備還可以連接多一個藍牙模塊，并配置好對應的軟件還能實現手機端的導航系統。通過本次的研究，我對GPS 定位原理有了進一步的了解，同時也理解了單片機工作運作時候的具體流程思路，以及焊接原器件的技巧得到了的提升，能夠更加熟練的使用焊接工具，以及對電路原理圖的理解和不同原器件連接也有了更深的理解。